电子教材 6.1-1 霍尔效应及霍尔元件.doc

《传感器与检测技术》—电子教材

职业教育机械设计制造及自动化专业教学资源库

PAGE

PAGE1

PAGE

PAGE1

霍尔效应及霍尔元件

一、霍尔效应

在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电动势差，这种现象称为尔效应，所产生的电动势称为霍尔电动势。利用露尔效应制成的元件称为霍尔传感器。

如图6-1所示，在长、宽、高分别为L、W、H的半导体薄片的相对两侧a、b通以控制电流、在薄片垂直方向加以磁场B。设图中的材料是N型半导体，导电的载流子是电子。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c侧指向d侧方向的力的作用，这个力就是洛色兹力。洛伦兹力用FL表示，大小为

（6-1）

式中，q是电子电荷量;v是载流子的运动速度;B是磁感应强度。

图6-1霍尔效应与霍尔元件

在洛仑兹力的作用下，电子向d侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，c侧则形成正电荷的积累。这样，c、d两端面因电荷积累而建立了一个电场EH，称为尔电场。该电场对电子的作用力与落仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力(F=qEH)与洛色兹力大小相等时，达到动态平衡。这时有

qEH=qUB

所以霍尔电场的强度为

EH=vB（6-2）

在c与d两侧面间建立的电动势差称为霍尔电动势，用UH表示

（6-3）

当材料中的电子浓度为n时，v=1/(nqHW)，代入式(6-3)得

（6-4）

设——霍尔系数，得

（6-5）

设——霍尔灵敏度，则

（6-6）

式(6-6)中，RH为数，霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱，是由材料性质所决定。一个常数KH为霍尔灵敏度，它表示霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电动势的大小。

通过以上分析，可以看出霍尔电动势与材料的关系如下:

1)霍尔电动势的大小与材料的性质有关。一般说来，金属材料载流子浓度n较大，导致RH和KH变小，故不宜做霍尔元件。因材料电阻率ρ与载流子浓度n和迁移率μ有关，

RH=ρμ，而电子的迁移率μ比空穴大，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。

2)霍尔电动势UH的大小与元件的尺寸关系很大，所以生产霍尔元件时要考虑以下几点。

①根据式(6-6)，H愈小，KH愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄。但H太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。

2)元件的长宽比对UH也有影响。L/W加大时，控制电极对霍尔电动势影响减小。但如果L/W过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使UH下降，通常要对式(6-6)加以形状效应修正为

（6-7）

式(6-7)中，f(L/W)为形状修正系数，其修正值见表6-1。通常取L/W=2。

表6-1形状修正系数

L/W

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

4.0

f(L/W)

0.370

0.675

0.841

0.923

0.967

0.984

0.996

3)霍尔电动势UH的大小与控制电流及磁场强度有关。根据式(6-6)，UH正比子I及B。当控制电流恒定时，B愈大，UH愈大。当磁场改変方向时，UH也改变方向。同样，当霍尔灵敏度KH及磁感应强度B恒定时，增加控制I，也可以提高霍尔电动势的输出。但电流不宜过大，否则会烧坏霍尔元件。

二、霍尔元件的结构和主要参数

霍尔元件是一种四端型器件，如图6-2所示，它由霍尔片、4根引线和売体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，尺寸一般为4mmx2mmx0.1mm。通常A、B两个红色引线为控制电流I，C、D两个绿色引线为霍尔电动势UH输出线。

图6-2霍尔元件

其主要特征参数:

(1)额定控制电流I使霍尔片温升10℃所施加的控制电流值。

(2)输人电阻Ri指控制电极间的电阻值。

(3)输出电阻Ro指霍尔电动势输出极之间的电阻值。

(4)最大磁感应强度Bm磁感应强度超过Bm时，霍尔电动势的非线性误差明显增大数值一般小于零点几特斯拉。

图6-3霍尔元件的不等位电势

5)不等位电势在额定控制电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电势。它是由于4个电极的几何尺寸不对称引起的，如图6-3所示。使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。

(6)霍尔电动势温度系数指在磁感应强度及控制电流定的情况下，温度变